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Apr 07, 2023

El equipo de investigación de Illinois acelera las técnicas de imagen para capturar estructuras de moléculas pequeñas

Escrito por Emily Jankauski URBANA, Ill. — Una Universidad de Illinois

Escrito por Emily Jankauski

URBANA, Ill. — Un esfuerzo de investigación Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois dirigido por Pinshane Huang está acelerando las técnicas de imagen para visualizar estructuras de moléculas pequeñas con claridad, un proceso que antes se creía imposible. Su descubrimiento libera un potencial infinito para mejorar las aplicaciones de la vida cotidiana, desde plásticos hasta productos farmacéuticos.

El profesor asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales se ha asociado con los coautores principales Blanka Janicek, exalumna de 2021 y posdoctorado en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, y Priti Kharel, estudiante graduada del Departamento de Química, para probar la metodología que permite a los investigadores visualizar pequeñas estructuras moleculares y acelerar las técnicas de imagen actuales.

Los coautores adicionales incluyen al estudiante graduado Sang hyun Bae y los estudiantes universitarios Patrick Carmichael y Amanda Loutris. Su investigación revisada por pares se ha publicado recientemente en Nano Letters.

Los esfuerzos del equipo exponen la estructura atómica de la molécula, lo que permite a los investigadores comprender cómo reacciona, conocer sus procesos químicos y ver cómo sintetizar sus compuestos químicos.

"La estructura de una molécula es tan fundamental para su función", dijo Huang. "Lo que hemos hecho en nuestro trabajo es hacer posible ver esa estructura directamente".

La capacidad de ver la estructura de una molécula pequeña es vital. Kharel comparte cuán importante es al dar el ejemplo de un medicamento conocido como talidomida.

Descubierta en los años 60, la talidomida se recetaba a mujeres embarazadas para tratar las náuseas matutinas y luego se descubrió que causaba defectos de nacimiento graves o, en algunos casos, incluso la muerte.

¿Qué salió mal? El fármaco tenía estructuras moleculares mixtas, una responsable de tratar las náuseas matutinas y la otra, lamentablemente, causaba efectos devastadores y adversos para el feto.

La necesidad de una ciencia proactiva, no reactiva, ha instado a Huang y sus estudiantes a continuar con este esfuerzo de investigación que originalmente comenzó con pura curiosidad.

"Es tan crucial determinar con precisión las estructuras de estas moléculas", dijo Kharel.

Por lo general, las estructuras moleculares se determinan con técnicas indirectas, un enfoque difícil y lento que utiliza resonancia magnética nuclear o difracción de rayos X. Peor aún, los métodos indirectos pueden producir estructuras incorrectas que dan a los científicos una comprensión errónea de la composición de una molécula durante décadas. La ambigüedad que rodea a las estructuras de las moléculas pequeñas podría eliminarse mediante el uso de métodos de imagen directos.

En la última década, Huang ha visto avances significativos en la tecnología de microscopía electrónica criogénica, donde los biólogos congelan las moléculas grandes para capturar imágenes de alta calidad de sus estructuras.

"La pregunta que tenía era: ¿Qué les impide hacer lo mismo con las moléculas pequeñas?" dijo Huang. "Si pudiéramos hacer eso, podrías resolver la estructura (y) descubrir cómo sintetizar un compuesto natural que produce una planta o un animal. Esto podría llegar a ser realmente importante, como un gran combatiente de enfermedades". dijo Huang.

El desafío es que las moléculas pequeñas suelen ser 100 o incluso 1000 veces más pequeñas que las moléculas grandes, lo que dificulta la detección de sus estructuras.

Decididos, los estudiantes de Huang comenzaron a usar la metodología existente de moléculas grandes como punto de partida para desarrollar técnicas de imagen para hacer aparecer las estructuras de las moléculas pequeñas.

A diferencia de las moléculas grandes, las señales de imagen de las moléculas pequeñas se ven superadas fácilmente por su entorno. En lugar de usar hielo, que generalmente sirve como una capa de protección contra el entorno hostil del microscopio electrónico, el equipo ideó otro plan para mantener intactas las estructuras de las moléculas pequeñas.

¿Cómo se puede templar el entorno de una molécula? Mediante el uso de grafeno.

El grafeno, una sola capa de átomos de carbono que forman una red de panal de abeja en forma de hexágono, disipa las reacciones dañinas durante la obtención de imágenes.

La estabilización del entorno de la molécula pequeña fue solo uno de los problemas que los investigadores de Illinois tuvieron que manejar. El equipo también tuvo que limitar el uso de electrones, tan bajo como una millonésima parte del número de elecciones que normalmente se usan, para iluminar las moléculas.

Las dosis bajas de electrones aseguran que las moléculas aún se muevan lo suficiente como para que los investigadores capturen una imagen.

"La forma en que me gusta pensar es que a la molécula no le gusta ser bombardeada por elecciones de mayor energía, pero necesitamos hacer eso para poder ver la estructura, y el grafeno ayuda a disipar parte de esa carga de la molécula para que podamos obtener una buena imagen de ella", dijo Janicek.

Desafortunadamente, una vez capturadas, las moléculas eran casi invisibles en la imagen.

"Cuando toman una imagen de dosis baja, inicialmente parece ruido o estática de TV, casi como si no hubiera nada allí", dijo Huang.

El truco consistía en aislar las estructuras atómicas de ese ruido mediante el uso de una transformada de Fourier, una función matemática que descompone la imagen de la molécula pequeña, para ver su frecuencia espacial.

"Tomamos imágenes de cientos de miles de moléculas y las agregamos para construir una imagen única y clara", dijo Kharel.

Este enfoque de promedio permitió al equipo crear imágenes nítidas de los átomos de las moléculas sin dañar la integridad de ninguna molécula individual.

"Mes tras mes, semana tras semana, nuestra resolución mejoró", dijo Huang. "Y luego, un día, mis alumnos entraron y me mostraron los átomos de carbono individuales, eso es un gran logro. Y, por supuesto, viene después de todo este conocimiento profundo que han adquirido para diseñar un experimento de imágenes y cómo desbloquear datos de lo que parece nada".

Este descubrimiento colectivo está allanando el camino para muchos más hallazgos de imágenes de moléculas estructurales.

"Ha habido todo este campo de pequeñas moléculas que se han dejado en el frío, por así decirlo. Estamos iluminando cómo llegamos allí como un campo? ¿Cómo hacemos esto que para nosotros en este momento es ¿muy difícil?" dijo Huang. "Un día no será, esa es la esperanza".

Los esfuerzos de los investigadores de Illinois son el primer gran paso para convertir ese sueño en realidad.

"Algún día, esta será la forma en que resolveremos la estructura de una molécula pequeña", dijo Huang. "La gente simplemente arrojará la molécula en el microscopio electrónico, tomará una foto y listo".

Ese sueño inspira a Huang y su equipo de Illinois a mantener el rumbo.

"Eso es potencialmente un cambio de vida, y lo hemos hecho existir", dijo Huang. "Todavía no lo hemos hecho fácil, pero las técnicas de imagen como esta cambiarán gran parte de la ciencia y la tecnología".

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